基于密度泛函理论的海藻热解中美拉德反应机理研究

程晓雪，蒋鼎，何志霞，王爽

(1.江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学能源研究院， 江苏 镇江 212013)

由于石油、天然气和煤炭等化石能源的过度开发，造成严重的能源危机和环境污染。出于缓解当前的严峻形势，可再生能源成为了全球关注的热点[1-2]。作为化石燃料的替代品的生物质能越来越受全世界的重视，生物质能的利用方式多种多样且理论上作为光合作用固碳的产物又促进新一轮排放的温室气体的固碳过程，生物质能的广泛利用可以有效改善目前的能源结构，促进节能经济的可持续发展[3-5]。生物质具有来源广泛，储量丰富和可再生的特点使其成为第四大能源[6-7]。

生物质的利用方式多种多样，热解是生物质利用的重要手段。生物质热解主要产生焦油、焦炭和热解气，其中焦油与焦炭因为其碳链长度及其不饱和结构可以进一步发生反应生成更多高价值产物[8-10]。热解制油的原料主要为陆上生物质和海洋生物质。海洋生物质包含藻类等裸子植物，因不占用耕地，生长周期短和种类繁多等优点已经成为热解制油突破点[11-12]。海洋生物质主要包括大型海藻和微藻。海藻的主要成分是蛋白质，脂类和多糖，主要元素为碳、氢、氧和氮[13-14]。热分解产生的气体产物中有很多含氮组分，会严重影响环境，而且热解得到的焦油和焦炭中也含有大量氮元素，这样对生物油的直接利用和进一步加工都很不利。

美拉德反应(Maillard reaction) 是食品中的氨基化合物(胺、氨基酸、肽和蛋白质) 和羰基化合物(糖类)在食品加工和储藏过程中自然发生的反应[15-16]。Maillard反应能赋予食品独特的风味和色泽，并成为食品研究的热点[17-18]。影响美拉德反应的因素主要有：反应体系里要有广义的糖类和氨基原料；反应体系要有合适的酸碱度、反应温度和反应时间；金属可促进氧化还原反应，进而促进美拉德反应的进行[19-20]。美拉德反应化学过程十分复杂，至今，研究者只是对该反应产生低分子和中分子化合物的过程，即反应产生香味的过程比较清楚，但对该反应产生高分子聚合物的化学过程还不甚清楚，研究尚在起步阶段[21-22]。

近年来，作为一种有效的量子化学计算方法，密度泛函理论(DFT)在研究生物质热解中的美拉德反应机理得到了应用。FRAU等人[23-24]利用DFT计算每个分子体系的化学反应描述符，评估多重密度泛函在计算参与美拉德反应中涉及氨基酸和蛋白质的非酶糖基化的简单碳水化合物的分子结构和固有性质。REN等人[25]以葡萄糖和甘氨酸为起始反应物。在前人实验结果的基础上，用密度泛函理论计算了美拉德反应在气相和水溶液中的反应机理，并通过计算不同pH条件下反应不同步骤的相对能量变化，评价了形成不同化合物的可能性。ABUL等人[26]利用DFT研究了在不同条件下α-果糖(α-Fru)/β-果糖(β-Fru)/开链果糖(O-Fru)与甘氨酸(Gly)美拉德反应初始反应机理。JALBOUT等人[27]以开链葡萄糖(O - Glu)/闭链葡萄糖(A- Glu和B- Glu)和甘氨酸(Gly)为美拉德反应模型，计算了不同机理假设下不同中间体形成Amadori重排产物(ARPs)的理论能量变化。密度泛函理论(DFT)计算已应用于不同pH条件下所提出的机理。尽管该反应已为人们所知，但仍不清楚氨基酸类型是如何影响美拉德反应的反应速率。

海藻生产焦油和焦炭的过程满足美拉德反应发生的条件，所以美拉德反应也存在于海藻生物质热解液化过程中[28-29]。热解得到的焦油和焦炭中也含有大量氮元素，这样对生物油的直接利用和进一步加工很不利。而且不同的氨基酸类型对美拉德反应也会产生不同的影响。所以探究涉及不同氨基酸类型的美拉德反应机理，解析海藻生物质在热解中氮元素的转化机理，对于调控反应条件以提高生物油品质是具有重要指导意义的。

1 计算方法

1.1 模型化合物的选择

海藻生物质的主要糖类成分为鼠李糖和葡萄糖，其中鼠李糖含量最高。葡萄糖由于醛基作用，α-氢原子显酸性易脱去形成不饱和烯醇结构，随后发生共振形成果糖，而美拉德反应会基于葡萄糖的结构特点发生醛基到羰基的转化。鼠李糖，又名6-脱氧-左旋甘露糖，在美拉德反应中会发生两次脱水反应形成高度不饱和产物。海藻生物质中的N元素都包含在蛋白质大分子中。蛋白质大分子受热分解为各种氨基酸，其中含量较多的是缬氨酸、脯氨酸及亮氨酸。葡萄糖、鼠李糖、缬氨酸、亮氨酸和脯氨酸的结构式如图1所示。

图1 葡萄糖、鼠李糖、缬氨酸、亮氨酸和脯氨酸的结构式

1.2 计算方法

本文是基于量子力学的密度泛函理论(DFT)来研究的。通过在B3LYP / 6-31G +(d,p)计算水平上优化反应物、中间体、过渡态和产物的平衡几何形状(稳定构型)[30]。B3LYP作为结构优化和过渡态计算研究的常用泛函，有着准确的精度和合理的计算时间[31]。通过Opt+TS方法定位过渡态，计算得到的过渡态有且仅有唯一虚频，并且所有的稳态都没有虚频。通过观察过渡态的振动方向和IRC(内部反应坐标)方法来确定过渡态结构是合理的。反应的能垒(活化自由能，ΔG*)用相对能量估算，包括过渡态和反应物之间的零点能量校正(ZPE)[32]。这意味所提出的反应途径可行，结果有可靠依据。反应条件为标准状态下298.15 K和101.325 kPa。所有的计算均使用Gaussian 09程序来完成。

2 结果与讨论

2.1 葡萄糖可能的反应路径设计

葡萄糖与氨基酸反应遵循基本反应。第一步是氨基化合物中的氨基的亲核性氮原子对糖羰基碳的进攻，加成为一个羟基胺(1i1)。第二步是糖基胺在酸催化下异构为相应的1-氨基-1-脱氧-2-酮糖的Amadori重排反应。其中糖基胺首先失水生成Schiff碱(1i2)，然后氮被质子化，相邻的碳被去质子化，通过烯醇-酮互变异构得到Amadori重排产物(1i5)。随后，糖链分解成3+3的两个小分子化合物(1i6和1i8)。最后，1i6脱去氨基酸，得到丙酮醛(1i7)。后面的两种氨基酸反应原理与上述反应类似。葡萄糖的有胺参与美拉德路径如图2所示。

图2 葡萄糖的有胺参与美拉德路径

葡萄糖在热解时也会自身发生环化反应。葡萄糖的直链首先发生弯曲，然后脱去一分子水得到烯醇结构，由于烯醇结构不稳定，继而发生烯醇-酮互变异构转化为双酮结构中间体(1i20)。随后发生了分子内的醇-酮加成反应得到五元含氧杂环。随后连续脱去两分子水得到5-羟甲基糠醛(1i23)。葡萄糖无胺参与的自成环生成5-羟甲基糠醛如图3所示。

图3 葡萄糖无胺参与的自成环生成5-羟甲基糠醛

2.1.1 葡萄糖-缬氨酸的反应路径

过渡态根据其反应顺序在图4中按照TS1-TS7排序，中间产物按照1i1-1i8排序，下面原理解释中请按照图3中顺序进行对号入座。图1中缬氨酸与葡萄糖路径中，葡萄糖与缬氨酸发生胺醛缩合生成TS1过渡态，转化为1i1，并脱水生成1i2。1i2随后进行成环反应，其中6号位羟基加成在氮-碳双键上生成TS3，再转化为更稳定的1i3吡喃葡萄糖。随后水分子发生取代开环产生TS4，吡喃醚键打开生成链状多羟基化合物。后1号位的羟基与2号位的氢脱水生成过渡态TS5，再转化为烯醇式结构，烯醇式结构共振成为α-酮化合物1i5。1i5经过缩醛逆反应生成1i6及1i7结构。1i7水解生成1i8甘油醛，其中经过过渡态TS7。葡萄糖-缬氨酸反应路径中的中间产物及过渡态如图4所示。

图4 葡萄糖-缬氨酸反应路径中的中间产物及过渡态

葡萄糖-缬氨酸路径的能垒分布如图5所示。葡萄糖和缬氨酸的缩合反应所需的能量很小，反而是氨基化合物的脱除反应能垒最高，说明Amadori重排产物相对比较稳定，低温模拟的条件下，不利于Amadori重排产物的裂解。

图5 葡萄糖-缬氨酸路径的能垒分布(单位：kJ/mol)

2.1.2 葡萄糖-脯氨酸的反应路径

在脯氨酸葡萄糖反应路径中，脯氨酸与葡萄糖发生醛胺缩合，醛基转化为羟基生成TS8a,随之转化为1i9稳定形态。α位羟基与β位氢脱水生成TS8b烯醇结构，再经过共振生成1i10 β-酮结构。由于脯氨酸α氨基上之存在一个氢原子且成环，故无法再继续进行氮原子上的脱水反应。葡萄糖-脯氨酸路径的中间产物及过渡态如图6所示，葡萄糖-脯氨酸路径的能垒分布如图7所示。

图6 葡萄糖-脯氨酸路径的中间产物及过渡态

图7 葡萄糖-脯氨酸路径的能垒分布(单位：kJ/mol)

2.1.3 葡萄糖-亮氨酸的反应路径

亮氨酸葡萄糖反应路径中，亮氨酸与葡萄糖全胺缩合生成TS9，再转化为中间产物1i12。后氮上氢原子与α碳原子的羟基脱水形成TS10过渡态，再生成1i13氮碳双键化合物。1i13的6号位羟基进行加成成环经过渡态TS11生成亮氨酸吡喃葡萄糖1i14。1i14的5号位碳经水取代开环断裂醚键(TS12)生成链状亮氨酸葡糖1i15。随后α、β号位碳进行脱水(TS13)生成β-烯醇结构，再经共振生成稳定的1i16。葡萄糖-亮氨酸路径中间产物及过渡态如图8所示，亮氨酸-葡萄糖反应能垒分布如图9所示。

图8 葡萄糖-亮氨酸路径中间产物及过渡态

图9 亮氨酸-葡萄糖反应能垒分布(单位：kJ/mol)

2.1.4 葡萄糖自成环生成5-羟甲基糠醛的反应路径

萄糖2、萄糖3号位脱水(TS16)生成烯醇式结构在经共振转化为稳定的1i20。萄糖2、萄糖5号位加成共振(TS17)生成1i21。萄糖4、萄糖5号位脱水(TS18)形成1i22。再进行萄糖2、萄糖3号位脱水(TS19)形成最终产物糠醛1i23[33]。葡萄糖自身成环生成5-羟甲基糠醛的中间产物及过渡态如图10所示，葡萄糖自身成环生成糠醛能垒分布如图11所示。

图10 葡萄糖自身成环生成5-羟甲基糠醛的中间产物及过渡态

图11 葡萄糖自身成环生成糠醛能垒分布(单位：kJ/mol)

2.2 鼠李糖可能的反应路径

2.2.1 鼠李糖-缬氨酸的反应路径

鼠李糖在阿马多利重排阶段，前五个产物与过渡态路径相同。从第六步开始氨基酸部分共振形成C=N，而后水加成于双键，形成酮酸。鼠李糖缬氨酸途径中在形成β酮后，萄糖3、萄糖4号位碳发生脱水(TS26)生成2i6。二酮经共振后双键转移到氨基酸部分氨碳键上，先后一次水加成二次水加成生成2i7最终到2i8、2i9(TS27，TS28)[34]。鼠李糖的缬氨酸、脯氨酸和亮氨酸过程如图12所示，鼠李糖-缬氨酸反应中间产物及过渡态如图13所示，鼠李糖-缬氨酸反应能垒分布如图14所示。

图12 鼠李糖的缬氨酸、脯氨酸和亮氨酸过程

图13 鼠李糖-缬氨酸反应中间产物及过渡态

图14 鼠李糖-缬氨酸反应能垒分布(单位：kJ/mol)

2.2.2 鼠李糖-亮氨酸的反应路径

鼠李糖亮氨酸途径中在形成β酮后，3、4号位碳发生脱水(TS33)生成2i15。二酮经共振后双键转移到氨基酸部分氨碳键上，先后一次水加成二次水加成生成2i16最终到2i17、2i18(TS34，TS35)。鼠李糖-亮氨酸反应中间产物及过渡态如图15所示，鼠李糖-亮氨酸的能垒分布如图16所示。

图15 鼠李糖-亮氨酸反应中间产物及过渡态

图16 鼠李糖-亮氨酸的能垒分布(单位：kJ/mol)

2.2.3 鼠李糖-脯氨酸的反应路径

鼠李糖-脯氨酸直接发生醛胺缩合反应生成缩醛化合物，经TS36到2i19。鼠李糖-脯氨酸路径的反应中间产物及过渡态如图17所示，鼠李糖-脯氨酸路径的能垒分布如图18所示。

图17 鼠李糖-脯氨酸路径的反应中间产物及过渡态

图18 鼠李糖-脯氨酸路径的能垒分布(单位：kJ/mol)

3 结语

本文主要是利用密度泛函理论研究了纤维素单元(葡萄糖和鼠李糖)与生物质含氮组分(脯氨酸、亮氨酸和缬氨酸)的共热解机理，得出主要结论如下：

1)葡萄糖有胺参与路径中脯氨酸由于其吡咯环状结构，使得后续脱水无法进行，故在这步终止。而亮氨酸与缬氨酸的路径中由于共振结构使得可以脱水形成共振结构从而消旋或产生其他脱氧多羟基酮。

2)通过比较能垒分布得出葡萄糖与脯氨酸之间最不易发生反应，其次是缬氨酸，而亮氨酸比较容易发生反应。并且葡萄糖自身也较易发生闭环反应生成糠醛。鼠李糖由于其L型手性结构及6-脱氧特殊结构。在Amadori重排后会有二重脱水形成多不饱和度化合物。其中糖胺化合物被水解为脂肪醛酮及多羟基胺。与葡萄糖路径相反的是，脯氨酸第一个基元反应的过渡态形成的自由能能垒极高，而后生成相当稳定的缩合产物，缬氨酸与鼠李糖为最不易发生反应而亮氨酸次之。